CN105262368B - 一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法，包括：盘形定子、压电振子和调整机构三部分；压电振子沿盘形定子的轴向安装；盘形定子与压电振子沿周向分组对称或均匀分布；在外接电压作用下，压电振子产生轴向振动，激起盘形定子周期振动；在多个压电振子的激励下，盘形定子可产生行波或驻波。时空相位调谐方法包括：分析压电振子分组和均匀分布这两种基本构型的激振规律，并给出了具体的激振性能优化技术。该激振装置具有机电转换效率高、多时空相位激振及振幅动态可调等显著优点。解决了目前该类激振装置效率较低及时空相位选择范围有限等技术难题。

Description

一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种时空相位可动态调整的旋转压电超声激振装置及性能调谐技术。

背景技术

压电振子是超声电机的关键部件。压电陶瓷的逆压电效应激起超声频段的微幅振动，进而在振子表面形成期望的微观振动。应当指出的是，现有超声振子通常采用预设模态方式工作。事实上，受加工及装配误差的影响，振子的质量和刚度分布通常产生变化，因此工作点将产生漂移，影响激振效率。

若考虑由结构周期性导致的固有频率分裂和振型耦合现象，振子表面的波动将产生畸变，影响了稳定性和工作效率。

发明内容

本发明提供了一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法，本发明提高了激振装置的工作效率和工作稳定性，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述：

一种旋转超声激振装置，包括：盘形定子、压电振子和调整机构三部分，所述盘形定子、所述压电振子分别连接在所述调整机构上；

所述压电振子沿所述盘形定子的轴向安装；所述盘形定子与所述压电振子沿周向分组对称或均匀分布；

在外接电压作用下，所述压电振子产生轴向振动，激起所述盘形定子周期振动；在多个所述压电振子的激励下，所述盘形定子可产生行波或驻波。

所述调整机构包括：定子支撑、定子夹持装置、压电振子夹持装置、压电振子锁紧装置、T型槽紧固件和基座；

所述盘形定子与所述定子支撑通过螺纹连接；所述定子夹持装置沿所述盘形定子边缘夹持；

所述定子夹持装置的下端与所述压电振子通过螺栓连接，所述压电振子插入所述压电振子夹持装置；

所述压电振子夹持装置插入所述压电振子锁紧装置；

所述压电振子锁紧装置与所述T型槽紧固件通过螺栓连接，所述T型槽紧固件可沿周向在所述基座的T型槽内移动。

所述压电振子以d33模式工作，在交流电压作用下，所述压电振子将产生轴向伸缩变形。

一种旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，所述时空相位调谐方法包括以下步骤：

当压电振子沿周向分组对称分布时，

(1)如果w±lQ≠qP，则抑制压电振子的柔体振动；

(2)如果w+lQ＝qP且w-lQ≠qP，则激起压电振子的后行波响应；

(3)如果w+lQ≠qP且w-lQ＝qP，则激起压电振子的前行波响应；

(4)如果w±lQ＝qP，激起压电振子的行波与驻波的混合响应；

其中，P为压电振子的分组数；w为波数；l为谐波响应的阶数；Q和q为整数。

一种旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，所述时空相位调谐方法包括以下步骤：

当压电振子沿周向均匀分布时，

(1)如果lQ＝qP，将激起压电振子的零波数面外振动；

(2)如果lQ＝qP±1，则激起压电振子的波数为qP±1的柔体振动；

(3)如果为其它条件，则激起压电振子的其它波数的柔体振动；

其中，l为谐波响应的阶数；Q和q为整数；P为压电振子的分组数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：该装置主要由盘形定子、压电振子和调整机构组成。其中，定子本体由黄铜或其它材料制成，沿其轴向安装若干压电振子，该压电振子的位置可沿盘形定子的周向无级调整。本发明给出了可产生柔体振动的时空相位条件，并给出了可进一步提升激振性能的动态调谐技术。具有如下的有益效果：

1)压电振子采用d33工作模式，提高了激振效率；

2)压电振子的数量可为多个，有助于提高激振效率；

3)压电振子的位置可沿定子的周向无级调整，有利于找到适宜的激振点，可弥补由加工和装配误差带来的工作点漂移问题；

4)压电振子的时空相位不再限于传统的90°，提高了激振装置设计的灵活性。

附图说明

图1示出了旋转压电激振装置示意图，图中仅给出了一个压电振子，事实上可以为多个，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；

图2示出了盘形定子示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图，所述定子为辐板结构，由黄铜或其它金属制成；

图3示出了定子支撑示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图，所述支撑的两端均有螺纹，中部设置了四个方便拧紧的平面；

图4示出了锁紧螺母示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图；

图5示出了定子夹持装置示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图；

图6示出了压电振子示意图，其中部设置四个方便施加预紧力的平面，其中(a)为主视图，(b)为左视图；

图7示出了压电振子夹持装置示意图，其中(a)、(b)和(c)分别为主、俯和左视图；

图8示出了压电振子紧固装置示意图，其中(a)、(b)和(c)分别为主、俯和左视图；

图9示出了T型槽紧固件示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图；

图10示出了激振装置的基座示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；

图11示出了分组激振示意及坐标系示意图；

图12示出了六压电振子二分组夹角与振幅的关系示意图；

图13示出了十二压电振子多分组夹角与振幅的关系示意图。

附图中，各部件列表如下：

010：盘形定子； 020：定子支撑；

030：锁紧螺母； 040：定子夹持装置；

050：压电振子； 060：压电振子夹持装置；

070：压电振子锁紧装置； 080：T型槽紧固件；

090：基座； 021：第一紧定螺钉；

071：第二紧定螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

现有的压电振子的时空相位通常为π/2，如果采用其它相位，可大幅提升设计的灵活性，有助于确定最优工作参数。为了克服现有超声振子激振效率较低及运转不稳定等技术难题，本发明实施例提供一种时空相位可动态调的旋转压电超声激振装置及性能调谐方法，给出了拓扑构型及时空相位调整机构，并设计了相应的调谐方法。

实施例1

一种旋转超声激振装置，参见图1至图10，该旋转超声激振装置主要包括：盘形定子010、定子支撑020、锁紧螺母030、定子夹持装置040、压电振子050、压电振子夹持装置060、压电振子锁紧装置070、T型槽紧固件080和基座090。

其中，盘形定子010与定子支撑020通过螺纹连接，并且通过锁紧螺母030锁紧；定子夹持装置040沿盘形定子010边缘夹持，并且用第一紧定螺钉021锁紧。定子夹持装置040的下端与压电振子050通过螺栓连接，压电振子050插入压电振子夹持装置060。压电振子夹持装置060插入压电振子锁紧装置070，并且由第二紧定螺钉071锁紧。压电振子锁紧装置070与T型槽紧固件080通过螺栓连接，T型槽紧固件080可沿周向在基座090的T型槽内移动。

本发明实施例在图2-图10中分别给出了盘形定子010、定子支撑020、锁紧螺母030、定子夹持装置040、压电振子050、压电振子夹持装置060、压电振子锁紧装置070、T型槽紧固件080和基座090的结构示意图，但本发明实施例仅以此为例说明该些器件的结构，本发明实施例并不限制该些器件的具体结构、尺寸。

参见图2，盘形定子010由轮毂、幅板和轮缘组成，轮毂的中心加工有螺纹孔，轮缘的外侧加工了矩形截面的凹槽。

参见图3，定子支撑020为柱状，其两端加工螺纹，中间部分铣削了四个平面。参见图4，锁紧螺母030为非标件，用于紧固盘形定子010。

参见图5，定子夹持装置040用于夹持盘形定子010，具体联接方式为将定子夹持装置040与螺纹孔相对的凸起嵌入盘形定子010的凹槽，同时与压电振子050通过公称直径较大的螺纹联接，而较小的螺纹用于安装紧定螺钉，使夹持装置040与盘形定子010牢固联接。

参见图6，压电振子050为本发明实施例的核心部件，其外形为两端加工了螺纹的圆柱体，中间铣削了四个平面，内部夹持圆形压电陶瓷，在周期电压作用下，该压电振子050将按d33模式被激振，产生轴向伸缩振动。

参见图7，压电振子夹持装置060外形为柱状，一端加工了用于和压电振子050联接的内螺纹，另一端设计为阶梯轴状，其上加工了用于锁紧该部件的三角形凹槽，为了方便旋紧，该部件的外侧同样铣削了四个平面。

参见图8，压电振子锁紧装置070的一端加工了光孔，孔壁加工了四个用于安装紧定螺钉的螺纹孔，该压电振子锁紧装置070的另一端加工了与T型槽紧固件080联接的螺纹孔，同时外侧铣削了四个平面。

参见图9，T型槽紧固件080用于固定压电振子050，该T型槽紧固件080的大端置于基座090的T型槽内，然后将位于小端的螺纹旋入压电振子锁紧装置070的螺纹孔。

参见图10，基座090为盘形结构，其中间加工了用于安装定子支撑020的螺纹孔，外侧加工了四个用于与地基紧固的光孔，内部加工了用于安装紧固件080的T型凹槽。

该旋转超声激振装置的具体工作过程为：在外接电压作用下，压电振子050产生轴向振动，从而激起盘形定子010周期振动。在多个压电振子050的激励下，盘形定子010可产生行波或驻波。通过合理的设置压电振子050的个数、电压相位以及相互之间的位置，即可激起期望的波动响应。应当指出的是，为了提高激振效率，可旋转压电振子夹持装置060，以产生适当的预紧力。

为了更好地说明本发明的有益效果，下面分别针对压电振子050分组和均匀分布这两种基本构型探讨激振规律，并给出具体的激振性能优化技术。

实施例2

本发明实施例以图1所示旋转超声激振装置为例，探讨压电振子050的个数及其拓扑构型对盘形定子010振动的影响规律。图11为计算模型，其中压电振子050的分组数为P，每组个数均为N_s。坐标系{o，r，θ}固结于盘形定子010，其中原点o位于盘形定子010的几何形心，极轴r穿过第一分组的第一个压电振子050的几何形心，θ为极角，为第j(j＝1，2，3，……P)分组内的第i(i＝1，2，3，……N_s)个压电振子。

(1)分组对称压电组件

因为压电振子050沿盘形定子010周向分组对称，同时各分组内的压电振子050均匀分布，并且按照d33模式工作，则由压电振子激起的第l阶谐波响应可写为：

式中，w、θ和ω分别为振幅、波数、空间位置和频率。该压电振子050的机械位置及作用力相角分别为ψ_i,j＝ψ_i+(j-1)Δψ和

式中，ψ_i和分别为第i个压电振子050的机械位置角及相角，Δψ和分别为相邻分组对应压电振子050之间的机械夹角和相位差。根据图11，各分组的对应压电振子050的位置满足：

ψ_i＝2π(i-1)/P (2)

为了方便分析，假定压电振子050的时空相位满足

式中Q为整数。因此总响应为

根据三角函数的运算性质，可得

式中，N为任意整数，a和h均为实数。

根据盘形定子010的对称性可知式中为第一分组的第一个压电振子激起响应的第l阶振幅，并且由式(1)～(5)可得

根据上述分析可得如下结论：

1)若w±lQ≠qP，则

W^l＝0 (7)

式中q为整数。

2)若w+lQ＝qP且w-lQ≠qP，则

3)若w+lQ≠qP且w-lQ＝qP，则

4)若w±lQ＝qP，则

式中

式(7)～(10)给出了参数与振动特性之间的映射关系，可调整压电振子050夹角Δψ、分组数P及个数N_s实现激起期望的柔体振动的有益效果。

事实上，若w±lQ≠qP，则抑制柔体振动；若w+lQ＝qP且w-lQ≠qP，则激起后行波响应；若w+lQ≠qP且w-lQ＝qP，则激起前行波响应；若w±lQ＝qP，通常激起行波与驻波的混合响应。应当指出的是，可调整式(8)～(10)中的系数A_I和A_II来改变响应幅值，进而改变振动特性。

(2)均布对称压电组件

对于所有压电振子050完全均布的情形，可将式(7)～(10)中的分组数P定义为压电振子050的个数，同时每组压电振子050的个数为N_s＝1，因此相应的振动规律为：

1)若w±lQ≠qP，则

W^l＝0 (11)

2)若w+lQ＝qP且w-lQ≠qP，则

3)若w+lQ≠qP且w-lQ＝qP，则

4)若w±lQ＝qP，则

根据上述分析可知：(1)如果lQ＝qP，将激起零波数面外振动；(2)如果lQ＝qP±1，则激起波数为qP±1的柔体振动；(3)如果为其它条件，则激起其它波数的柔体振动。

本发明实施例给出了压电振子050的个数及其拓扑构型与盘形定子010振动之间的映射关系。显然，调整压电振子050的拓扑构型和时空相位匹配可动态调整振动特性。

本发明实施例结合图1－13描述激振装置的工作原理及振动特性，事实上，在不改变基本原理的前提下，还可以做出许多提升性能的参数和拓扑结构方面的改进。下面结合图11进一步阐述。

实施例3：

本发明实施例给出了6个压电振子激振装置，其工作波数为2，分组数P为2，谐波阶次为1，时空相位比为2，组内压电振子050均匀分布，并且按照d33模式工作。图12给出了相邻压电振子050之间的夹角与振幅之间的关系。组内压电振子050的夹角为π/4，则盘形定子010响应为后行波该实施例中各构件的具体联接过程为：

(1)将6个压电振子050通过定子夹持装置040与盘形定子010连接；(2)将压电振子050插入压电振子夹持装置060；(3)将压电振子夹持装置060插入压电振子锁紧装置070并由紧定螺钉071锁紧；(4)压电振子锁紧装置070与T型槽紧固件080通过螺栓连接；(5)将T型槽紧固件080沿基座090沿周向移动，实现预定的二分组拓扑构型，保证组内相邻压电振子050之间的夹角为π/4。

实施例4

本发明实施例给出了6个压电振子激振装置，其工作波数为4，分组数P为6，谐波阶次为1，时空相位比为2，所有压电振子050均匀分布，并且按照d33模式工作。图13给出了相邻压电振子050之间的夹角与振幅之间的关系。盘形定子010响应为后行波该实施例中各构件的具体联接过程为：

(1)将6个压电振子050通过定子夹持装置040与盘形定子010连接；(2)将压电振子050插入压电振子夹持装置060；(3)将压电振子夹持装置060插入压电振子锁紧装置070并由紧定螺钉071锁紧；(4)压电振子锁紧装置070与T型槽紧固件080通过螺栓连接；(5)将T型槽紧固件080沿基座090沿周向移动，实现预定的拓扑构型，保证所有压电振子050均匀分布。

实施例5

本发明实施例给出了12个压电振子激振装置，其工作波数为4，分组数P为3，谐波阶次为1，时空相位比为2，组内压电振子050均匀分布。图13给出了相邻压电振子之间的夹角与振幅之间的关系。当组内压电振子050之间的夹角为π/4时，盘形定子010响应为后行波该实施例中各构件的具体联接过程为：

(1)将12个压电振子050通过定子夹持装置040与盘形定子010连接；(2)将压电振子050插入压电振子夹持装置060；(3)将压电振子夹持装置060插入压电振子锁紧装置070并由紧定螺钉071锁紧；(4)压电振子锁紧装置070与T型槽紧固件080通过螺栓连接；(5)将T型槽紧固件080沿基座090沿周向移动，实现预定的二分组拓扑构型，保证组内相邻压电振子050之间的夹角为π/4。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种旋转超声激振装置，包括：盘形定子、压电振子和调整机构三部分，所述盘形定子、所述压电振子分别连接在所述调整机构上；其特征在于，

所述压电振子沿所述盘形定子的轴向安装；所述盘形定子与所述压电振子沿周向分组对称或均匀分布；

在外接电压作用下，所述压电振子产生轴向振动，激起所述盘形定子周期振动；在多个所述压电振子的激励下，所述盘形定子可产生行波或驻波；

所述调整机构包括：定子支撑、定子夹持装置、压电振子夹持装置、压电振子锁紧装置、T型槽紧固件和基座；

所述盘形定子与所述定子支撑通过螺纹连接；所述定子夹持装置沿所述盘形定子边缘夹持；

所述定子夹持装置的下端与所述压电振子通过螺栓连接，所述压电振子插入所述压电振子夹持装置；

所述压电振子夹持装置插入所述压电振子锁紧装置；

所述压电振子锁紧装置与所述T型槽紧固件通过螺栓连接，所述T型槽紧固件可沿周向在所述基座的T型槽内移动。

2.根据权利要求1所述的一种旋转超声激振装置，其特征在于，所述压电振子以d33模式工作，在交流电压作用下，所述压电振子将产生轴向周期伸缩变形。

3.一种用于权利要求1-2中任一权利要求所述的旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，其特征在于，所述时空相位调谐方法包括以下步骤：

当压电振子沿周向分组对称分布时，

(1)如果w±lQ≠qP，则抑制压电振子的柔体振动；

(2)如果w+lQ＝qP且w-lQ≠qP，则激起压电振子的后行波响应；

(3)如果w+lQ≠qP且w-lQ＝qP，则激起压电振子的前行波响应；

(4)如果w±lQ＝qP，激起压电振子的行波与驻波的混合响应；

其中，P为压电振子的分组数；w为波数；l为谐波响应的阶数；Q和q为整数。

4.一种用于权利要求1-2中任一权利要求所述的旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，其特征在于，所述时空相位调谐方法包括以下步骤：

当压电振子沿周向均匀分布时，

(1)如果lQ＝qP，将激起压电振子的零波数面外振动；

(2)如果lQ＝qP±1，则激起压电振子的波数为qP±1的柔体振动；

(3)如果为其它条件，则激起压电振子的其它波数的柔体振动；

其中，P为压电振子的分组数；l为谐波响应的阶数；Q和q为整数。